DE69228458T2

DE69228458T2 - Elektroakustische hybride integrierte Schaltung und ihre Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69228458T2
Application number: DE69228458T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Eda; Akihiro Kanaboshi; Tetsuyoshi Ogura; Yutaka Taguchi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1991-09-12
Filing date: 1992-09-10
Publication date: 1999-10-21
Anticipated expiration: 2012-09-11
Also published as: DE69232277T2; DE69232277D1; HK1009620A1; EP0531985B1; EP0823780B8; DE69228458D1; EP0823780B1; EP0531985A1; EP0823780A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektroakustische, integrierte Hybridschaltung, welche die Umwandlung von Schallenergie in elektrische Energie oder vice versa nutzt, insbesondere auf eine Hochfrequenzschaltung, wie etwa einen spannungsgesteuerten Oszillator, welcher ein Halbleiterbauelement und ein elektroakustisches Element beeinhaltet, wie etwa einen Oberflächenwellenresonator oder einen Quarzoszillator, und auf ein Herstellungsverfahren dafür.

Beschreibung des Standes der Technik

Eine elektroakustische Schaltung, wie etwa ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) enthält einen Transistor als ein aktives Element, um die Oszillation zu verursachen, ein elektroakustisches Element, um in Resonanz zu schwingen oder bei einer gewünschten Frequenz zu oszillieren, und einige elektronische Komponenten, wie etwa Kapazitäten und Widerstände. Das elektroakustische Element ist ein Element, welches eine Schallenergie in eine elektrische Energie oder vice versa umwandelt, wie etwa ein Oberflächenwellenresonator aus Lithiumniobat (LiNbO&sub3;) oder Lithiumtantalat (LiTaO&sub3;) oder ein Quarzoszillator.
Eine elektroakustische Schaltung schließt die folgenden Schaltungen ein. Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines spannungsgesteuerten Oszillators, welcher einen Oberflächenresonator (SAW) als ein elektroakustisches Element, einen Transistor (Tr), Varactordioden (D) und passive Komponenten aus Kapazitäten, Induktivitäten und Widerständen enthält. Fig. 2 zeigt ein weiteres Beispiel eines spannungsgesteuerten Oszillators, in welchem ein Kristallresonator (X) als elektroakustisches Element anstelle des Oberflächenwellenresonators verwendet wird. Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines Hochfrequenzverstärkers, welcher einen Frequenzfilter (F) aus einem Quarzfilter oder aus einem Oberflächenwellenfilter, einen Transistor (Tr) und passive Komponenten enthält. Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines temperaturkompensierten Kristalloszillators (TCXO), welcher einen Quarzoszillator (X), einen Transistor (Tr), Varactordioden (D), einen Thermistor (Th) und passive Komponenten enthält. D. h. daß diese Schaltungen ein elektroakustisches Element, wie etwa einen Oberflächenwellenresonator, einen Quarzoszillator, oder einen Oberflächenwellenfilter oder einen Quarzfilter neben einem Transistor als aktive Komponenten enthalten.
Zuvor wird ein elektroakustisches Element in einem Container, wie etwa einem Metallbehälter, verschlossen, um die vorgegebene Oszillations- oder Resonanzfrequenz für eine lange Zeit stabil zu halten, und eine elektroakustische Schaltung wird auf einem Board konstruiert, indem verschiedene Komponenten, einschließlich des elektroakustischen Elementes, angebracht werden. Dies sorgt jedoch dafür, daß die Größe des Oberflächenwellenresonators oder des Quarzoszillators die Größe des relevanten Resonanz- oder Oszillationsabschnittes selbst um ein mehrfaches übersteigt. Darüber hinaus ist es für Anwendungen, wie etwa Autotelefone oder tragbare Telefone, die kompakt sein müssen, ein wichtiges Problem, die Größe einer elektroakustischen Schaltung kleiner zu machen.
Um die Größe einer solchen elektronischen Schaltung zu reduzieren, ist es wünschenswert, ein Halbleiterelement, welches einen Transistor aufweist, mit einem elektroakustischen Element zu integrieren. Beispielsweise stellen K. Tsubouchi et al. ein Oberflächenwellen (SAW)-Bauelement durch Wachsen einer Aluminiumnitridschicht als piezoelektrische Substanz auf einem Siliziumsubstrat her (Zero Temperature-Coefficient SAW Device on AIN Epitaxial Films, IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, SU-32 (1985) 634-644). Um eine gute Oszillation oder Resonanzeigenschaft zu realisieren, muß eine Schicht epitaktisch oder in einer bestimmten Kristallachsenrichtung ausgerichtet gewachsen werden. Solch ein epitaktisches Wachstum oder solch eine ausgerichtete Schicht wird jedoch nur für einige Materialien realisiert, wie etwa Aluminiumnitrid oder Zinkoxid, während ein Material, wie etwa Lithiumniobat oder Lithiumtantalat, welches für einen Oberflächenwellenresonator geeignet ist, nicht integriert werden kann.
Bei einem Quarzoszillator ist es notwendig, die Dicke durch Polieren oder Ätzen klein zu machen, um einen Hochfrequenzoszillator in Submikrowellenband von 800 MHz bis 1.9 GHz herzustellen, welcher für Autotelefone und tragbare Telefone verwendet wird. Beispielsweise berichtete A. Lepek et al. (A New Design for High Frequency Bulk Resonators, 43rd Annual Symposium on Frequency Control (1989) Seiten 544-547), daß Quarz mit einer präzisen Poliertechnik auf eine Dicke von etwa 10 um poliert wird, um die Oszillation bei einigen wenigen 100 MHz zu realisieren. E. A. Gerber et al. berichteten auch (Advances in Microwave Acoustic Frequency Sources, IEEE Transactions on MTT 34 (1986) 1002-1016) über Quarzresonatoren, die oberhalb von 1 GHz arbeiten.
Es ist jedoch praktisch sehr schwierig, den Quarzoszillator oder den Quarzresonator mit einer Dicke von weniger als 10 um herzustellen. Wenn die Dicke auf weniger als 10 um abgesenkt wird, ist es schwierig, die Quarzplatte als einen Oszillator zu befestigen, da die mechanische Stärke sehr schwach ist, und da das Handling der Platte schwierig ist. Somit ist die Produktivität schlecht und sind die Kosten hoch. Praktisch ist es sehr schwierig, tatsächlich einen spannungsgesteuerten Oszillator mit einer hohen Frequenz von 500 MHz oder darüber unter Verwendung einer fundamentalen Oszillationsmode eines Quarzoszillators herzustellen. Wenn eine höhere harmonische Oszillationsmode verwendet wird, nimmt das Q der Resonanz ab. Weiterhin ist es auch schwierig, einen Oszillator mit einer hohen und stabilen Leistungsfähigkeit herzustellen.
Um einen spannungsgesteuerten Oszillator kompakt zu machen, und um die Oszillationsfrequenz gleichzeitig anzuheben, präpiert Grudkowski et al. (Fundamentalmode VHF/UHF Miniature Acoustic Resonators and Filters on Silicon, Appl. Phys. Lett. 37 (1980) 993-995) einen ZnO-Schichtresonator oberhalb einer Luftlücke auf einem Lithiumsubstrat, um einen Resonator im Submikrowellenband herzustellen. In diesem Fall kann ein Resonator einer Schichtdicke mit einigen wenigen um leicht präpariert werden, und es ist möglich, einen Resonator im Submikrowellenband herzustellen. Die Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz und das Q der Resonanz einer ZnO-Schicht sind jedoch schlechter als bei einem Quarzoszillator. Darüber hinaus ist die Leistungsfähigkeit des Resonators schlechter als jene, wenn ein Quarzoszillator verwendet wird.
Diese Situation ist ein übliches Problem, welches für verschiedene Hochfrequenzgeräte zu lösen ist, wie etwa für einen spannungsgesteuerten Oszillator, einen temperaturkompensierten Kristalloszillator, und einen Hochfrequenzverstärker unter Verwendung eines elektroakustischen Elementes.
Die deutsche Patentanmeldung DE-A-39 22 671 offenbart eine elektroakustische Komponente mit einer Oberflächenwellenanordnung und einer elektrischen Halbleiterschaltung. Für die Integration eines Oberflächenwellen-(SAW)-Elementes und einer Halbleiterschaltung in ein monolithisches Gerät enthält das vorgeschlagene Verfahren: Bilden einer Ätzstoppschicht in einem Halbleiterwafer, Bilden einer Halbleiterschicht auf der Ätzstoppschicht, Wegätzen der Rückseite des Halbleiterwafers und Zusammenbringen eines SAW-Wafers mit der geätzten Seite der Halbleiterschicht. Der SAW-Wafer ist an der geätzten Seite der Halbleiterschicht entweder mittels Klebstoff oder mittels einer Waferverbindung unter Verwendung der Van-der-Waals-Verbindung befestigt.
M. Shimbo et al. beschreibt im Journal of applied physics, Vol. 60, Nr. 8, Seiten 2987-2989 ein Verbindungsverfahren zwischen zwei Siliziumschichten. Shimbo et al. fanden, daß eine starke Verbindung stattfindet, wenn ein Paar von sauberen, spiegelpolierten Siliziumoberflächen bei Raumtemperatur nach einer hydrophilen Oberflächenbildung in Kontakt gebracht wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine elektroakustische, integrierte Hybridschaltung zur Verfügung zu stellen, die für verschiedene Hochfrequenzgeräte geeignet ist, wie etwa für einen spannungsgesteuertern Oszillator kleinerer Größe, leichteren Gewichts und besserer Leistungsfähigkeit.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für solche eine elektroakustische, integrierte Hybridschaltung zur Verfügung zu stellen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein integrierter, einheitlicher Körper zur Verwendung in einer elektronischen Vorrichtung, insbesondere in einer elektroakustischen, integrierten Hybridschaltung zur Verfügung gestellt, wobei der integrierte, einheitliche Körper versehen ist mit: einem Halbleitersubstrat; einem einkristallinen, piezoelektrischen Substrat; und einer siliziumhaltigen Schicht zwischen dem Halbleitersubstrat und dem einkristallinen, piezoelektrischen Substrat; wobei das Halbleitersubstrat und das piezoelektrische Substrat über diese Schicht ohne jegliche organische Klebemittel direkt verbunden sind, wobei die Verbindung zwischen der Schicht und dem Halbleitersubstrat zwischen Komponentenatomen der Schicht und Sauerstoff- und/oder Komponentenatomen des Halbleitersubstrates stattfindet, und wobei die Verbindung zwischen der Schicht und dem piezoelektrischen Substrat zwischen Komponentenatomen der Schicht und Sauerstoffatomen des piezoelektrischen Substrates stattfindet.
Eine elektroakustische, integrierte Hybridschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ist versehen mit: einem Halbleitersubstrat; einem einkristallinen, piezoelek trischen Substrat; und einer siliziumhaltigen Schicht zwischen dem Halbleitersubstrat und dem einkristallinen, piezoelektrischen Substrat; wobei das Halbleitersubstrat und das piezoelektrische Substrat über diese Schicht ohne jegliche organische Klebemittel direkt verbunden sind, wobei die Verbindung zwischen der Schicht und dem Halbleitersubstrat zwischen Komponentenatomen der Schicht und Sauerstoff- und/oder Komponentenatomen des Halbleitersubstrates stattfindet, und wobei die Verbindung zwischen der Schicht und dem piezoelektrischen Substrat zwischen Komponentenatomen der Schicht und Sauerstoffatomen des piezoelektrischen Substrates stattfindet.
In einer elektroakustischen, integrierten Hybridschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein aktives Element, wie etwa ein Transistor, auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrates gebildet, während ein elektroakustisches Element mit einem monokristallinen, piezoelektrischen Substrat gebildet wird. Das monokristalline, piezoelektrische Substrat wird direkt mit dem Halbleitersubstrat über eine Schicht, die Silizium einschließt, verbunden. Das elektroakustische Element, das aktive Element, sowie passive Komponenten sind verbunden, um eine elektroakustische Schaltung zu bilden.
Weiterhin enthält ein Verfahren zur Herstellung eines einheitlichen Körpers zur Verwendung in einer elektronischen Vorrichtung, insbesondere zur Verwendung in einer elektroakustischen, integrierten Hybridschaltung, gemäß der vorliegenden Erfindung die Schritte: ein Halbleitersubstrat wird zur Verfügung gestellt; ein einkristallines piezoelektrisches Substrat wird zur Verfügung gestellt; eine Schicht mit Silizium wird auf mindestens dem Halbleitersubstrat und/oder mindestens dem piezoelektrischen Substrat gebildet; und das Halbleitersubstrat wird über die Schicht mit dem piezoelektrischen Substrat verbunden; wobei der Schritt des Verbindens des Halbleitersubstrates mit dem piezoelektrischen Substrat die Schritte enthält: die Oberfläche des Halbleitersubstrates oder der auf dem Halbleitersubstrat gebildeten Schicht wird gereinigt, und sie wird hydrophil gemacht; die Oberfläche des piezoelektrischen Substrates oder der auf dem piezoelektrischen Substrat gebildeten Schicht wird gereinigt, und sie wird hydrophil gemacht; sie wird auf die Oberfläche des Halbleitersubstrates oder auf die auf dem Halbleitersubstrat gebildete Schicht gelegt; und eine Hitzebehandlung des mit dem piezoelektrischen Substrat verbundenen Halbleitersubstrates wird ausgeführt.
Wenn die elektroakustische, integrierte Hybridschaltung hergestellt wird, werden zum Bilden eines aktiven Elementes notwendige Vorbehandlungsprozesse zunächst mit dem Halbleitersubstrat bei Verarbeitungstemperaturen ausgeführt, die höher liegen als die Wärmebehandlungstemperatur für das direkte Bonden (direct bonding). Dann wird eine dünne Schicht, die Silizium einschließt, auch mindestens dem Halbleitersubstrat oder dem monokristallinen, piezoelektrischen Element gebildet, und das Halbleitersubstrat wird direkt mit dem elektroakustischen Element über die dünnen Schichten verbunden. Als nächstes werden Postbehandlungsprozesse zum Bilden des aktiven Elementes und zur Metallisierung bei einer Verarbeitungstemperatur ausgeführt, die niedriger ist, als die Wärmebehandlungstemperatur für das direkte Bonden, und Prozesse zum Bilden eines elektroakustischen Elementes auf dem monokristallinen, piezoelektrischen Element. Somit sind ein aktives Element und das elektroakustisches Element als eine integrierte Hybridschaltung integriert.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß eine elektroakustische Schaltung kompakt hergestellt werden kann.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß eine Oszillation oberhalb von 1 GHz ausgeführt werden kann.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Dieses und andere Ziel und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung klar, die in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen derselben mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen gegeben wird, in denen:
Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm eines spannungsgesteuerten Oszillators unter Verwendung eines Oberflächenwellenresonators ist;
Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm eines spannungsgesteuerten Oszillators unter Verwendung eines Quarzoszillators ist;
Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm eines Hochfrequenzverstärkers ist;
Fig. 4 ein Schaltungsdiagramm eines temperaturkompensierten Kristalloszillators ist;
Fig. 5 ein Querschnitt einer Struktur der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht der Struktur der Ausführungsform 1 ist;
Fig. 7 ein Querschnitt einer Struktur der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht der Struktur der Ausführungsform 2 ist;
Fig. 9 ein Flußdiagramm eines Herstellungsverfahrens einer elektroakustischen, integrierten Hybridschaltung der Ausführungsform 3 ist;
Fig. 10 ein Querschnitt einer Struktur der Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 11 ein Querschnitt einer Struktur der Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 12 ein Querschnitt einer Struktur der Ausführungsform 9 der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 13 eine perspektivische Ansicht der Struktur der Ausführungsform 9 ist;
Fig. 14 ein Querschnitt einer Struktur der Ausführungsform 10 der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 15 eine perspektivische Ansicht der Struktur der Ausführungsform 10 ist; und
Fig. 16 ein Flußdiagramm eines Herstellungsverfahrens einer elektroakustischen, integrierten Hybridschaltung der Ausführungsform 11 ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Nunmehr bezugnehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile bezeichnen, werden unten elektroakustische, integrierte Hybridschaltungen, insbesondere von spannungsgesteuerten Oszillatoren, in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, und Herstellungsverfahren derselben erklärt.

Ausführungsform 1

Fig. 5 und 6 zeigen die Struktur eines spannungsgesteuerten Oszillators der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung schematisch, wobei das Bezugszeichen 1 ein Silizium (Si)-Substrat zeigt, während das Bezugszeichen 2 ein monokristallines, piezoelektrisches Substrat oder ein Lithiumniobat- oder Lithiumtantalatsubstrat zeigt, welches einen Oberflächenwellenresonator (SAW) bildet. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet eine dünne Siliziumverbundschicht, wie etwa eine Siliziumoxidschicht, oder eine Siliziumschicht, die auf dem Siliziumsubstrat 1 und/oder auf dem monokristallinen, piezoelektrischen Substrat 2 abgeschieden wurde, wobei die Schichtdicke 0.1 um bis einige um beträgt. Das Siliziumsubstrat 1 ist direkt über die dünnen Schichten 8 mit dem monokristallinen, piezoelektrischen Substrat 2 verbunden. Anstelle der Siliziumoxidschicht 8 kann auch eine Siliziumschicht für das direkte Verbinden (direct bonding) verwendet werden. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Transistor, welcher auf dem Siliziumsubstrat 1 mittels fotolithographischem Prozeß gebildet ist. Auf dem Siliziumsubstrat 1 sind Varactordiodenchips (D) 4 mit einer elektrostatischen Kapazität angebracht, um mit der angelegten Spannung zu variieren, und passive Chipkomponenten 5, wie etwa Kapazitäten, Induktivitäten und Widerstände angebracht. Kammähnliche Elektroden 6 sind auf dem monokristallinen, piezoelektrischen Substrat 2 vorgesehen, um den Oberflächenwellenresonator zu bilden, und Leitungen 7 verbinden die Elektroden 6 mit den metallischen Leitungen auf dem Siliziumsubstrat 1. Die auf dem Siliziumsubstrat 1 angebrachten Komponenten 2-5 und die beiden Elektroden 6 sind miteinander verbunden, um einen spannungsgesteuerten Oszillator zu bilden. Darüber hinaus ist der auf dem Siliziumsubstrat 1 als integrierter Hybridschaltkreis integrierte spannungsgesteuerte Oszillator in einem (nicht dargestellten) Container verschlossen.
Der spannungsgesteuerte Oszillator weist beispielsweise den in Fig. 1 dargestellten Schaltkreis auf, und er enthält den Transistor, den Oberflächenwellenresonator (SAW) und die verschiedenen elektronischen Komponenten 4, 5, wie etwa Varactordioden (D). Dies ist eine bekannte Schaltung und es wird hier auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet. Die Oszillationsfrequenz am Ausgang OUT des spannungsgesteuerten Oszillators kann gemäß der Spannung Vcont, die an den Varactordioden 4 anliegt, verändert werden. Andere Schaltungen, die sich von der in Fig. 1 dargestellten unterscheiden, können ebenfalls verwendet werden. Die Anzahl der Varactordioden und anderer passiver elektronischer Komponenten können mit der Schaltung variieren, und die Anordnung derselben auf dem Halbleitersubstrat wird für jeden Fall passend entworfen.
Wie oben erklärt sind in diesem spannungsgesteuerten Oszillator die Oszillatorschaltung und der Oberflächenwellenresonator auf einem Halbleitersubstrat, wie etwa einem integrierten Hybridschaltkreis integriert. Somit nimmt das Volumen leicht auf etwa ein Zehntel des Gegenstückes einer Struktur aus dem Stand der Technik mit einem in einem Container abgeschlossenen Oberflächenwellenresona tor ab, während das Gewicht gegenüber dem Gegenstück der Struktur des Standes der Technik ebenfalls auf etwa ein Fünftel abnimmt.
Das direkte Bonden hat weitere Vorteile. In der vorliegenden Erfindung sind das Siliziumsubstrat und das monokristalline, piezoelektrische Substrat 2 direkt über die dünnen Siliziumoxidschichten 8, die auf einer oder beiden Oberflächen der Substrate 1, 2 gebildet sind, gebondet. D. h., daß das Verbinden (bonding) über anorganische Substanzen ausgeführt wird, und der Halbleiterprozeß kann nach dem Bonden weiter ausgeführt werden. Auf der anderen Seite, wenn das Halbleitersubstrat 1 und das monokristalline, piezoelektrische Element 2 miteinander über ein normales Verbindungsmittel, welches aus Harz o. dgl. besteht, verbunden sind, kann der Halbleiterprozeß nach dem Bonden nicht weiter ausgeführt werden, aufgrund des schlechten Wärmewiderstandes und der schlechten Widerstandskraft gegen Chemikalien.
Darüber hinaus wird, wenn ein Verbindungsmittel aus Harz o. dgl. verwendet wird, der Grad der Parallelisierung zwischen dem Siliziumsubstrat 1 und dem Lithiumniobat- oder Lithiumtantalatsubstrat 2 schlecht und die Präzision der anschließend mit der Fotolithographie auf dem monokristallinen, piezoelektrischen Substrat 2 gebildeten, kammartigen Elektroden wird schlecht. Beispielsweise muß die Elektrodengröße bei 1 um der Leitungs- und Raumbreite liegen, wenn die Resonanzfrequenz in der Größenordnung von 1 GHz liegt. Daher kann, wenn die Parallelisierung schlecht ist, ein Oberflächenwellenresonator für das Submikrowellenband nicht betrieben werden. Im Gegensatz dazu wird in der vorliegenden Ausführungsform das Bonden direkt über die dünnen Schichten 8 ausgeführt, und die Schichtpräparation kann im allgemeinen in der Größenordnung von einem Nanometer kontrolliert werden. Somit kann das oben erwähnte Problem gelöst werden. Dieser Effekt ist bei hohen Frequenzen besonders vorteilhaft.
Wenn ein aus Harz gefertigtes Verbindungsmittel verwendet wird, ist die sekuläre Veränderung ein weiteres Problem, welches aufgrund der mechanischen Belastung auftritt, welche durch den Unterschied der thermischen Expansionskoeffizienten zwischen dem Harz als ein organisches Material und dem Siliziumsubstrat 1 und dem monokristallinen, piezoelektrische Substrat 2, die beide aus anorganischem Materialien gefertigt sind, verursacht wird. Die vorliegende Ausführungsform löst dieses Problem jedoch durch Bonden mit anorganischen Materialien.

Ausführungform 2

Fig. 7 und 8 zeigen die Struktur eines spannungsgesteuerten Oszillators der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung schematisch gemäß derselben Schaltung wie Ausführungsform 1. Die Bezugszeichen 1-3 und 6-8 bezeichnen das gleiche wie in Ausführungsform 1. D. h., daß das Bezugszeichen 1 ein Siliziumsubstrat bezeichnet, während das Bezugszeichen 2 ein monokristallines, piezoelektrisches Substrat bezeichnet. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Siliziumverbundschicht, wie etwa eine Siliziumoxidschicht, oder eine auf dem Siliziumsubstrat 1 und/oder auf dem monokristallinen, piezoelektrischen Substrat 2 gebildete Siliziumschicht zum direkten Bonden des Siliziumsubstrates 1 mit dem monokristallinen, piezoelektrischen Substrat 2. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Feldeffekttransistor 3. Das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Elektrode des Oberflächenwellenresonators, und das Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Leitung, die die Elektrode 6 mit den metallischen Leitungen auf dem Siliziumsubstrat 1 verbindet.
Das Bezugszeichen 4' bezeichnet einen Varactordiodenchip, während das Bezugszeichen 5' passive Chipkomponenten, wie etwa Kapazitäten bezeichnet. Die Komponenten 3, 4', 5' und die beiden Elektroden 6 sind miteinander verbunden, um einen spannungsgesteuerten Oszillator gemäß Fig. 3 zu bilden. Darüber hinaus ist der als ein intergrierter Hybridschaltkreis integrierte spannungsgesteuerter Oszillator von einem Container (nicht dargestellt) umschlossen.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform 1 darin, daß die Varactordiodenchips 4' und die passiven Chipkomponenten 5' in dem Siliziumsubstrat 1 mit einem fotolithographischen Prozeß, wie er in einem Halbleiterprozeß bekannt ist, gebildet sind. Es ist leicht, die Varactordiodenchips 4' zu integrieren, wenn das Siliziumsubstrat 1 verwendet wird. Die Widerstände der passiven Komponenten 5' können leicht hergestellt werden, indem Siliziumwiderstände durch Diffusionsprozeß, oder indem Dünnschichtwiderstände aus Tantalnitrid gebildet werden; und die Induktivitäten können leicht durch Bilden spiralförmiger Metallmuster gebildet werden. Durch Übernehmen dieser Struktur kann der spannungsgesteuerte Oszillator kompakter als der der Ausführungsform 1 gestaltet werden. Das Anbringen der Chipkomponenten 4, 5, welches in der Ausführungsform 1 notwendig war, kann in den Herstellungsschritten weggelassen werden, und dies ist für die Massenherstellung angenehm.

Ausführungsform 3

Eine Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens für einen spannungsgesteuerten Oszillator wird mit Bezug auf die Fig. 9 erklärt.
Zunächst werden eine oder mehrere eingedrückte Flächen in vorgegebenen Positionen auf einem Siliziumsubstrat 1 durch Ätzen o. dgl. gebildet, und es wird eine Serie von Halbleiterprozessen ausgeführt, einschließlich eines Diffusionsprozesses, notwendig für einen Feldeffekttransistor 3, Varactordioden 4 u. dgl., und zwar bei der Wärmebehandlungstemperatur für das direkte Bonden oder bei einer höheren Temperatur (Schritt S1). Der Diffusionsprozeß wird normalerweise bei einer Temperatur von bis zu 1000ºC oder darüber ausgeführt.
Als nächstes wird eine Schutzschicht auf dem Siliziumabschnitt gebildet, welcher den oben erwähnten Prozessen ausgesetzt war, wenn es notwendig ist (Schritt S2). Die Schutzschicht ist aus Metall oder aus einer Oxidschicht, welche den oben erwähnten Prozessen widerstehen kann, und welche schließlich entfernt werden kann. Dann wird die Oberfläche eines für das spätere Bonden mit einem monokristallinen, piezoelektrischen Substrat 2 verwendeten Abschnittes sehr gründlich gereinigt (Schritt S3). Konkret wird die Oberflächenschicht vom Silizium geätzt und mit Fluorsäureätzmittel entfernt.
Dann wird eine erste Siliziumoxidschicht 8 auf dem Siliziumsubstrat 1 durch einen chemischen Dampfabscheidungsprozeß o. dgl. (Schritt S4) gebildet. Die Schichtdicke des Siliziumoxides und die Gleichförmigkeit der Schichten kann leicht für Schichten von Dicken 0.1-3 um kontrolliert werden. Das Sputtern oder die Vakuumabscheidung können auch verwendet werden.
Die Oberfläche der Siliziumoxidschicht 8 wird mit der gepufferten Fluorsäure gereinigt, und die Oberfläche wird einer Prozessierung ausgesetzt, um sie hydrophil (Schritt S5) zu machen.
Auf der anderen Seite wird die Oberfläche des monokristallinen, piezoelektrischen Substrates 2 gesäubert (Schritt S11). Dann wird auf dem monokristallinen, piezoelektrischen Substrat 2 auch eine zweite Siliziumoxidschicht 8 durch einen chemischen Dampfwachstumsprozeß o. dgl. (Schritt S12) gebildet. Die Dicke und die Gleichförmigkeit der zweiten Siliziumoxidschicht 8 kann ähnlich wie die der ersten Siliziumoxidschicht kontrolliert werden.
Die Oberfläche der Siliziumoxidschicht 8 wird durch die gepufferte Fluorsäure gereinigt, und die Oberfläche wird einer Verarbeitung ausgesetzt, um sie hydrophil (Schritt S13) zu machen.
Dann werden die Oberflächen der ersten und zweiten Siliziumoxidschichten 8 ausreichend mit reinem Wasser (Schritte S6 und S14) gereinigt. Als nächstes werden die Oberflächen der beiden Siliziumoxidschichten 8 sofort gleichförmig in Kontakt gebracht (Schritt S21). Somit findet in diesem Zwischenschritt das Bonden zwischen dem Siliziumsubstrat 1 und dem monokristallinen, piezoelektrischen Substrat 2 aufgrund der konstituierenden Komponenten von Wasser, wie etwa dem Hydroxygruppen, die auf den Oberflächen der Siliziumoxidschichten 8 obserbiert werden, statt. Die so gebildete Verbindung ist ausreichend hart.
Die Verbindungsstärke wird stärker durch eine Wärmebehandlung bei 100-800ºC, vorzugsweise bei 300-600ºC (Schritt S22). Wenn die Wärmebehandlungstemperatur hoch ist, dann ist die Form o. dgl. des monokristallinen, piezoelektrischen Substrates 2 in gewisser Weise limitiert, aufgrund des Unterschiedes der thermischen Expansionskoeffizienten zwischen dem Siliziumsubstrat 1 und dem monokristallinen, piezoelektrischen Substrat 2. Die Verbindungsstärke kann jedoch wesentliche verbessert werden, ohne ein Abschälen von Materialien oder Schäden zu verursachen, wenn die Dicke und die Fläche des monokristallinen, piezoelektrischen Substrates 2 abnehmen, wenn die Wärmebehandlungstemperatur zunimmt.
Als Effekt der Wärmebehandlung auf die Verbindungsstärke erhöht beispielsweise die Wärmebehandlung für eine Stunde bei 200ºC die Verbindungsstärke um einige Male, auf bis zu einige 10 kg/cm². Wenn die Temperatur über 800ºC angehoben wird, dann verlassen Lithiumatome die Oberfläche des Lithiumniobats oder des Lithiumtantalats. Somit wird die Oberflächeneigenschaft verschlechtert, und es kann die zuvor beschriebene Leistung als ein Oberflächenwellenresonator nicht erreicht werden. Daher muß die Verbindungstemperatur bei 800ºC oder darunter liegen, wenn Lithiumniobat oder Lithiumtantalat für das monokristalline, piezoelektrische Substrat 2 verwendet wird.
Als nächstes wird die Schutzschicht entfernt, wenn sie in Schritt S2 gebildet wurde (Schritt S23). Dann werden verschiedene Prozesse, wie etwa die Elektrodenbildung, welche bei Temperaturen prozessiert werden, die unterhalb der Wärmebehandlungstemperatur für das Bonden liegt. Dann werden die Elektroden auf der Oberfläche des monokristallinen, piezoelektrischen Substrates durch Vakuumabscheidung o. dgl. gebildet, und dann werden die Metallstrukturierungen mit einer herkömmlichen Fotolithographie gebildet (Schritt S24). Die Elektroden werden aus Aluminium, Gold/Chrom o. dgl. gebildet.
Der Mechanismus des direkten Bondens (direct bonding), wird als wie folgend ausgeführt angesehen: Das Bonden wird anfänglich durch die Van-der-Waals-Kraft der Hydroxygruppen o. dgl., die auf der Oberfläche der Siliziumoxidschichten absorbiert sind, verursacht. Dann werden Wasserstoffatome o. dgl. als konstituierende Elemente von Wasser aufgrund der Wärmebehandlung von der Verbindungsgrenzschicht extrahiert, während die Silizium- und Sauerstoffatome in den Silziumoxidschichten, die Siliziumatome an der Siliziumoberfläche und die Sauerstoffatome in dem monokristallinen, piezoelektrischen Substrat 2 verbunden werden, um die Verbindungsstärke zu erhöhen. Daher ist das direkte Bonden (gleich direktes Verbinden gleich direct Bonding) sogar möglich, wenn eine Siliziumoxidschicht 8 nur auf einem der Substrate 1, 2 gebildet wird, d. h. nur auf der Oberfläche des monokristallinen, piezoelektrischen Substrates 2 oder der des Siliziumsubstrates 1. Das Bonden ist auch möglich, wenn das monokristalline, piezoelektrische Substrat 2 aus einem Oxid gebildet ist, welches sich von Lithiumniobat oder Lithiumtantalat unterscheidet. Die Verbindungstemperatur (gleich bonding temperature) kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Verbindungsgrenzfläche gesenkt werden.
Das Bonden ist bei Raumtemperatur möglich, und es kann ausgeführt werden, wenn alle Prozesse abgeschlossen sind.
Wenn ein spannungsgesteuerter Oszillator der Ausführungsform 3 hergestellt wird, werden die Varactordioden 4' und die passiven elektronischen Komponenten in den Schritten S1 und S24 hergestellt.

Ausführungsform 4

Ein zweites Beispiel eines Herstellungsverfahrens eines spannungsgesteuerten Oszillators wird mit Bezug auf die Fig. 9 erklärt. In diesem Beispiel wird eine amorphe Siliziumschicht für die Schicht 8 verwendet.
Ähnlich zu der Ausführungsform 3 werden eine oder mehrere eingedrückte Flächen in vorgegebenen Positionen auf einem Siliziumsubstrat 1 durch Ätzen o. dgl. gebildet, und es wird eine Serie von Halbleiterverarbeitungen ausgeführt, einschließlich einem Diffusionsprozeß, notwendig für einen Feldeffekttransistor 3, Varactordioden 4 u. dgl., bei der Wärmebehandlungstemperatur für das direkte Bonden oder darüber (Schritt S1). Als nächstes wird eine Schutzschicht auf dem Siliziumabschnitt gebildet, welcher den oben erwähnten Prozessen ausgesetzt war, wenn notwendig (Schritt S2). Dann wird die Oberfläche eines Abschnittes für das direkte Bonden sehr gründlich gesäubert (Schritt S3). Dann wird eine erste dünne amorphe Siliziumschicht 8 auf dem Siliziumsubstrat 1 durch einen plasmachemischen Dampfabscheidungsprozeß o. dgl. gebildet (Schritt S4). Die Schichtdicke des amorphen Siliziums liegt bei etwa 0.1-3 um, wie in der Ausführungsform 3. Die Oberfläche der amorphen Siliziumschicht 8 wird durch die gepufferte Fluorsäure gereinigt, und die Oberfläche wird einer hydrophilen Behandlung ausgesetzt, um sie hydrophil zu machen (Schritt S5).
Andererseits wird die Oberfläche des monokristallinen, piezoelektrischen Substrates 2 gereinigt (Schritt S11). Dann wird eine zweite dünne amorphe Siliziumschicht 8 der Dicke 0.1-0.3 um ebenfalls auf dem monokristallinen, piezoelektrischen Substrat 2 durch eine plasmachemischen Dampfabscheidungsprozeß o. dgl. gebildet (Schritt S 12). Die Oberfläche der amorphen Siliziumschicht 8 wird mit der gepufferten Fluorsäure gereinigt, und die Oberfläche wird einer Verarbeitung ausgesetzt, um sie hydrophil zumachen (Schritt S13).
Dann werden die Oberflächen der ersten und zweiten amorphen Siliziumschichten ausreichend mit reinem Wasser (Schritt S14) gereinigt. Als nächstes werden die Oberflächen der beiden amorphen Siliziumschichten 8 sofort gleichförmig kontaktiert (Schritt S21). Somit findet in diesem Zwischenschritt das Bonden zwischen dem Siliziumsubstrat 1 und dem monokristallinen, piezoelektrischen Substrat 2 aufgrund der konstituierenden Komponenten von Wasser, wie etwa Hydroxygruppen, die an den Oberflächen der amorphen Siliziumschichten 8 absorbiert sind, statt. Die so gebildete Verbindung ist ausreichend hart.
Die Verbindung wird durch die Wärmebehandlung bei 100-800ºC, vorzugsweise bei 300-600ºC (Schritt S22) härter. Als nächstes wird die Schutzschicht entfernt, wenn sie in Schritt S2 gebildet wurde (Schritt S23). Dann werden verschiedene Prozesse, wie etwa die Elektrodenbildung, welche bei Temperaturen prozessiert werden, die unterhalb der Wärmebehandlungstemperatur für das Bonden liegt. Dann werden die Elektroden auf der Oberfläche des monokristallinen, piezoelektrischen Substrates durch Vakuumabscheidung o. dgl. gebildet, und dann werden die Metallstrukturierungen mit einer herkömmlichen Fotolithographie gebildet (Schritt S24). Die Elektroden werden aus Aluminium, Gold/Chrom o. dgl. gebildet.
Die Verbindungsstärke unter Verwendung von amorphen Siliziumschichten ist größer als bei der Ausführungsform 3 mit der Verwendung von Siliziumoxidschichten. Da das direkte Bonden bei Raumtemperatur möglich ist, kann der Verbindungsprozeß (Schritt S21) nach dem Abschluß der gesamten Verarbeitung ausgeführt werden.
Der Mechanismus des direkten Bondens wird ähnlich wie bei der Ausführungsform 3 als wie folgt betrachtet: Das Bonden wird anfänglich durch die Van-der-Waals- Kraft der Hydroxygruppen o. dgl., die an der Oberfläche der amorphen Siliziumschicht absorbiert sind, verursacht. Dann werden Wasserstoffatome o. dgl. als ein konstituierendes Element von Wasser von der Verbindungsgrenzfläche aufgrund der Wärmebehandlung extrahiert, während die Siliziumatome in der amorphen Siliziumschicht, die Siliziumatome an der Siliziumsubstratoberfläche und die Sauerstoffatome in dem monokristallinen, piezoelektrischen Substrat 2 verbunden werden, um die Verbindungsstärke zu erhöhen. Daher ist das direkte Bonden sogar möglich, wenn eine amorphe Siliziumschicht 8 nur auf einem der Substrate 1, 2 gebildet wird, d. h. nur auf der Oberfläche des monokristallinen, piezoelektrischen Substrates 2 oder der des Siliziumsubstrates 1. Das Bonden ist auch möglich, wenn das monokristalline, piezoelektrische Substrat 2 aus einem Oxid gebildet ist, welches sich von Lithiumniobat oder Lithiumtantalat unterscheidet. Die Verbindungstemperatur kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Verbindungsgrenzfläche abgesenkt werden.

Ausführungsform 5

Fig. 10 zeigt ein drittes Beispiel der Struktur eines spannungsgesteuerten Oszillators der vorliegenden Erfindung. Die perspektivische Ansicht des spannungsgesteuerten Oszillators ist ähnlich der der Fig. 6 und ist hier nicht dargestellt. Das Bezugszeichen 11 bezeichnet ein GaAs-Substrat als einen Respräsentanten der III-V- Gruppen-Verbindungshalbleiter, während das Bezugszeichen 12 ein monokristallines, piezoelektrisches Substrat oder ein Lithiumniobat- oder Lithiumtantalatsubstrat darstellt, welches einen Oberflächenwellenresonator (SAW) bildet. Das Bezugszeichen 18 bezeichnet eine Siliziumverbindungsschicht, wie etwa eine Siliziumoxidschicht oder eine Siliziumschicht, die auf dem GaAs-Substrat 11 und/oder auf dem monokristallinen, piezoelektrischen Substrat 12 gebildet ist, und die Schicht 18 bindet das GaAs-Substrat 11 direkt mit dem monokristallinen, piezoelektrischen Substrat 12 über die Schichten 18. Ein Transistor 13 ist auf dem GaAs-Substrat 1 gebildet. Varactordiodenchips (D) 14 mit einer elektrostatischen Kapazität, um mit der angelegten Spannung zu variieren, und passive Chipkomponenten 15, wie etwa Kapazitäten, Induktivitäten und Widerstände sind auf dem GaAs-Substrat 11 angebracht. Kammartige Elektroden 16 sind auf dem monokristallinen, piezoelektrischen Substrat 12 vorgesehen, um den Oberflächenwellenresonator zu bilden, und Leitungen 17 verbinden die Elektroden 16 mit den metallischen Leitungen auf dem GaAs-Substrat 11. Die Komponenten 12-15, die auf dem GaAs-Substrat 11 angebracht sind, und die beiden Elektroden 16 sind verbunden, um einen spannungsgesteuerten Oszillator gemäß Fig. 1 zu bilden. Ein spannungsgesteuerter Oszillator enthält den Transistor, die verschiedenen elektronischen Komponenten 14, 15, und den Oberflächenwellenresonator (SAW). Weiterhin wird der spannungsgesteuerte Oszillator als eine integrierte Hybridschaltung in einem Container (nicht dargestellt) verschlossen.
Ähnlich der Ausführungsform 1 werden, unter Verwendung dieser Struktur, der Oszillatorschaltkreis und der Oberflächenwellenresonator als ein integrierter Hybridschaltkreis integriert. Daher nimmt das Volumen leicht auf etwa ein Zehntel der entsprechenden Struktur des Standes Technik ab, in der ein Oberflächenwellenresonator verwendet wird, welcher in einen geschlossenen Container verbracht ist, während das Gewicht ebenfalls auf etwa ein Fünftel der entsprechenden Struktur des Standes der Technik abnimmt. Die oben erwähnten Probleme mit der Verwendung eines Verbindungsmittels aus Harz können ebenfalls vermieden werden.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform 1 darin, daß das GaAs-Substrat 11 anstelle des Siliziumsubstrates 1 verwendet wird. III-V- Gruppen-Verbindungshalbleiter, wie etwa GaAs, InP und InGaAs weisen im allgemeinen eine größere Beweglichkeit als Silizium auf. Die Beweglichkeit von GaAs liegt etwa sechs mal über der von Silizium. Daher kann unter Verwendung eines III- V-Verbindungshalbleiters ein Hochgeschwindigkeitshalbleiter gebildet werden, und ein Transistor, welcher bei einigen 10 GHz betrieben werden kann, kann leicht hergestellt werden. Daher wird der Betrieb eines elektroakustischen, integrierten Hybridschaltkreises bei höheren Frequenzen möglich, und der spannungsgesteuerte Oszillator dieser Ausführungsform kann bei höheren Frequenzen als der der Ausführungsform 1 betrieben werden.

Ausführungsform 6

Fig. 11 zeigt ein viertes Beispiel der Struktur eines spannungsgesteuerten Oszillators der vorliegenden Erfindung. Die perspektivische Ansicht des spannungsgesteuerten Oszillators ist der der Fig. 6 ähnlich und ist hier nicht dargestellt. Die Bezugszeichen 11-13 und 16-18 bezeichnen das gleiche wie in der Ausführungsform 5 (Fig. 10). Die Siliziumoxid- oder Siliziumschicht 18 verbindet das GaAs-Substrat 11 und das monokristalline, piezoelektrische Substrat 12 direkt. Das Bezugszeichen 14' bezeichnet einen Varactordiodenchip, welcher die elektrostatische Kapazität mit der angelegten Spannung ändert, und das Bezugszeichen 15' bezeichnet passive Chipkomponenten, wie etwa Kapazitäten, Induktivitäten und Widerstände. Die Komponenten auf dem GaAs-Substrat und die beiden Elektroden des Oberflächenwellenresonators sind verbunden, um einen spannungsgesteuerten Oszillator gemäß Fig. 1 zu bilden. Der spannungsgesteuerte Oszillator, konstruiert und integriert wie oben erklärt, wird in einen Container (nicht dargestellt) gesetzt.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform 5 darin, daß der Varactordiodenchip 14' und die passiven Chipkomponenten 15' auf dem GaAs- Substrat 11 als ein integraler Körper ausgebildet sind, ähnlich wie bei der Ausführungsform 2. Es ist leicht, die Varactordiodenchips 14' zu integrieren, wenn das GaAs-Substrat 11 verwendet wird. Die Widerstände können leicht durch Bilden von GaAs-Widerständen, gebildet durch einen Diffusionsprozeß oder durch Dünnschichtwiderstände aus Tantalnitrid, gebildet werden. Die Kapazitäten können leicht durch Bilden von Siliziumnitridschichten gebildet werden, und die Induktivitäten können leicht durch Bilden eines spiralförmigen Metallmusters gebildet werden. Durch Übernehmen dieser Struktur kann der spannungsgesteuerte Oszillator kompakter als der der Ausführungsform 5 gemacht werden. Das Anbringen der Chipkomponenten ist nicht notwendig, aber dies ermöglicht leicht eine Massenproduktion.

Ausführungsform 7

Ein drittes Beispiel eines Herstellungsverfahrens eines spannungsgesteuerten Oszillators der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Fig. 9 erklärt.
Als erstes werden eine oder mehrere eingedrückte Flächen in vorgegebenen Positionen auf einem GaAs-Substrat 11 durch Ätzen o. dgl. gebildet, und es wird eine Serie von Halbleiterprozessen ausgeführt, einschließlich eines Diffusionsprozesses, welcher für einen Feldeffekttransistor 13, Varactordioden 14 u. dgl. notwendig ist, und zwar bei einer Wärmebehandlungstemperatur für das direkte Bonden oder darüber (Schritt S1).
Als nächstes wird eine Schutzschicht auf dem GaAs-Abschnitt gebildet, welcher den zuvor erwähnten Prozessen ausgesetzt war, wenn es notwendig ist (Schritt S2). Die Schutzschicht wird aus einer metallischen oder einer Oxidschicht gebildet, welche den oben erwähnten Prozessen widerstehen kann, und welche schließlich leicht entfernt werden kann. Dann wird die für das spätere Bonden verwendete Oberfläche eines GaAs-Abschnittes sehr gründlich gereinigt (Schritt S3). Tatsächlich wird die Oberflächenschicht von GaAs geätzt und mit einem Fluorsäureätzmittel entfernt.
Dann wird eine erste dünne Siliziumoxidschicht 18 auf dem GaAs-Substrat 11 mit einem chemischen Dampfabscheidungsprozeß o. dgl. (Schritt S4) gebildet. Die Schichtdicke der Siliziumoxidschicht kann leicht zwischen 0.1-3 um kontrolliert werden.
Die Oberfläche der Siliziumoxidschicht 18 wird durch die gepufferte Fluorsäure gereinigt, und die Oberfläche wird einer hydrophilen Behandlung ausgesetzt, um sie hydrophil zu machen (Schritt S5).
Auf der anderen Seite wird die Oberfläche des monokristallinen, piezoelektrischen Substrates 12 gereinigt (Schritt S11). Dann wird auf dem monokristallinen, piezoelektrischen Substrat 12 auch eine zweitdünne Siliziumoxidschicht 18 gebildet, mit einem chemischen Dampfwachstumsprozeß o. dgl. (Schritt S12). Die Dicke und die Gleichförmigkeit der zweiten Siliziumoxidschicht kann ähnlich wie bei der ersten Siliziumoxidschicht kontrolliert werden.
Die Oberfläche der Siliziumoxidschicht 18 wird mit der gepufferten Fluorsäure gereinigt, und die Oberfläche wird einer Verarbeitung ausgesetzt, um sie hydrophil zu machen (Schritt S13).
Dann werden Oberflächen der ersten und zweiten Siliziumoxidschichten 18 ausreichend mit reinem Wasser gereinigt (Schritte S6 und S14). Als nächstes werden die Oberflächen der beiden Siliziumoxidschichten 18 sofort gleichförmig miteinander in Kontakt gebracht (Schritt S21). Daher findet in diesem Zwischenschritt das Bonden zwischen dem GaAs-Substrat 11 und dem monokristallinen, piezoelek trischen Substrat 12 aufgrund der konstituierenden Komponenten von Wasser, wie etwa Hydroxygruppen, die an den Oberflächen der Siliziumoxidschichten 18 absorbiert sind, statt. Die so gebildete Verbindung ist ausreichend hart.
Die Verbindung wird durch die Wärmebehandlung bei 100-800ºC, vorzugsweise bei 300-600ºC (Schritt S22) härter. Wenn die Wärmebehandlungstemperatur hoch ist, sind die möglichen Formen, die Größe o. dgl. des monokristallinen, piezoelektrischen Substrates 12 begrenzt, aufgrund des Unterschiedes des thermischen Expansionskoeffizienten zwischen dem GaAs-Substrat 11 und dem monokristallinen, piezoelektrischen Substrat 12. Die Verbindungsstärke kann jedoch wesentlich verbessert werden, ohne ein Abblättern von Materialien und Schäden zu verursachen, wenn die Dicke und der Bereich des monokristallinen, piezoelektrischen Substrates 12 mit zunehmender Wärmebehandlungstemperatur vermindert werden.
Der Effekt der Wärmebehandlung auf die Verbindungsstärke ist ähnlich wie beim Beispiel 3. Wenn die Temperatur über 800ºC angehoben wird, verlassen Lithiumatome die Oberfläche des Lithiumniobats oder des Lithiumtantalats. Daher wird die Oberflächeneigenschaft verschlechtert, und die vorgegebene Leistungsfähigkeit eines Oberflächenwellenresonators kann nicht erreicht werden. Daher muß die Verbindungstemperatur bei 800ºC oder darunter liegen, wenn Lithiumniobat oder Lithiumtantalat für das monokristalline, piezoelektrische Substrat 12 verwendet wird.
Als nächstes wird die Schutzschicht entfernt, wenn sie in dem Schritt S2 gebildet wurde (Schritt S23). Dann werden verschiedene Prozesse, wie etwa die Elektrodenbildung, die bei Temperaturen unterhalb der Wärmebehandlungstemperatur für das Bonden prozessiert werden, ausgeführt. Dann werden Elektroden auf der Oberfläche des monokristallinen, piezoelektrischen Substrates durch Vakuumabscheidung o. dgl. gebildet, und dann wird die Metallstrukturierung mit einer herkömmlichen Fotolithographie gebildet (Schritt S24). Die Elektroden bestehen aus Aluminium, Gold/Chrom o. dgl. Daher kann die Struktur der Ausführungsform 5 unter Verwendung einer der Ausführungsform 3 ähnlichen Methode hergestellt werden.
Der Mechanismus des direkten Bondens wird als dem der Ausführungsform 3 ähnlich angesehen. Das Bonden wird anfänglich durch die Van-der-Waals-Kraft der Hydroxygruppen o. dgl., die an der Oberfläche der Siliziumoxidschichten absorbiert sind, verursacht. Dann werden Wasserstoffatome o. dgl., als konstituierende Elemente von Wasser, von der Verbindungsgrenzfläche bei der Wärmebehandlung extrahiert, während die Silizium- und Sauerstoffatome in den Siliziumoxidschichten, die Sauerstoffatome an der GaAs-Oberfläche und die Sauerstoffatome in dem monokristallinen, piezoelektrischen Substrat 12 verbunden werden, um die Verbindungsstärke zu erhöhen. Daher ist das direkte Bonden sogar dann möglich, wenn eine Siliziumoxidschicht 18 nur auf einem der Substrate 11, 12, d. h. nur auf der Oberfläche des monokristallinen, piezoelektrischen Substrates 12 oder der des GaAs-Substrates 11 gebildet wird. Das Bonden ist auch möglich, wenn das monokristalline, piezoelektrische Substrat 12 aus einem anderen Oxid als aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat gestellt wird. Darüber hinaus ist das Bonden auch unter Verwendung von Siliziumoxidschichten möglich, wenn ein III-V-Verbindungssubstrat, welches sich von dem GaAs-Substrat unterscheidet, verwendet wird.

Ausführungsform 8

Ein viertes Beispiel eines Herstellungsverfahrens für den spannungsgesteuerten Oszillator wird mit Bezug auf die Fig. 9 erklärt. In diesem Beispiel wird für die Schicht 18 eine amorphe Siliziumschicht verwendet.
Ähnlich der Ausführungsform 7 werden eine oder mehrere eingedrückte Flächen in vorgegebenen Positionen auf einem GaAs-Substrat 11 durch Ätzen o. dgl. gebildet, und es wird eine Serie von Halbleiterprozessen ausgeführt, einschließlich einem Diffusionsprozeß, notwendig für einen Feldeffekttransistor 13, Varactordioden 14 u. dgl., und zwar bei der Wärmebehandlungstemperatur für das direkte Bonden oder darüber (Schritt S1). Als nächstes wird eine Schutzschicht auf dem GaAs-Abschnitt gebildet, welcher den zuvor erwähnten Prozessen ausgesetzt war, wenn dies notwendig ist (Schritt S2). Dann wird die Oberfläche eines GaAs-Abschnittes, welcher für das spätere Bonden verwendet wird, sehr gründlich gereinigt (Schritt S3). Tatsächlich wird die Oberflächenschicht des GaAS mit einem Fluorsäureätzmittel geätzt und entfernt.
Dann wird eine erste dünne amorphe Siliziumschicht 18 auf dem GaAs-Substrat 11 durch eine plasmachemischen Dampfabscheidungsprozeß o. dgl. (Schritt S4) gebildet. Die Schichtdicke der amorphen Schicht liegt bei etwa 0.1-3 um wie in der Ausführungsform 7. Die Oberfläche der Siliziumoxidschicht 18 wird mit der gepufferten Fluorsäure gereinigt, und die Oberfläche wird einer hydrophilen Behandlung ausgesetzt, um sie hydrophil zu machen (Schritt S5).
Andererseits wird die Oberfläche des monokristallinen, piezoelektrischen Substrates 12 gereinigt (Schritt S11). Dann wird auf dem monokristallinen, piezoelektrischen Substrat 12 auch eine zweite dünne amorphe Siliziumschicht 18 einer Dicke von 0.1-0.3 um mit einem plasmachemischen Dampfabscheidungsprozeß o. dgl. gebildet (Schritt S12). Die Oberfläche der Siliziumoxidschicht wird mit der gepufferten Fluorsäure gereinigt, und die Oberfläche wird einer Verarbeitung ausgesetzt, um sie hydrophil zu machen (Schritt S13).
Dann werden die Oberflächen der ersten und zweiten amorphen Oxidschichten ausreichend mit reinem Wasser gereinigt (Schritt S14). Als nächstes werden die Oberflächen der beiden amorphen Siliziumschichten 8 sofort gleichförmig miteinander kontaktiert (Schritt S21). Daher geschieht in diesem Zwischenschritt das Bonden zwischen dem GaAs-Substrat 11 und dem monokristallinen, piezoelektrischen Substrat 12 aufgrund der konstituierenden Komponenten von Wasser, wie etwa Hydroxygruppen, die an den Oberflächen der amorphen Siliziumschichten 18 haften. Die so geformte Verbindung ist ausreichend hart.
Schließlich werden die Schritte S22-S24 ausgeführt, um einen elektroakustischen, integrierten Hybridschaltkreis zu bilden, indem das GaAs-Substrat 11 und das elektroakustische Element integriert sind.
Der Mechanismus des direkten Bondens wird als dem der Ausführungsform 7 ähnlich aufgefaßt. Daher ist das direkte Bonden sogar dann möglich, wenn eine amorphe Siliziumschicht 18 nur auf einem der Substrate 11, 12, d. h. nur auf der Oberfläche des monokristallinen, piezoelektrischen Substrates 12 oder der des GaAs-Substrates 11 gebildet wird. Das Bonden ist auch möglich, wenn das monokristalline, piezoelektrische Substrat 12 aus einem anderen Oxid als aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat gebildet wird.

Ausführungsform 9

Fig. 12 und 13 zeigen ein fünftes Beispiel der Struktur eines spannungsgesteuerten Oszillators der vorliegenden Erfindung, wobei das Bezugszeichen 21 ein GaAs- Substrat bezeichnet, das Bezugszeichen 22 einen Quarzoszillator bezeichnet, welcher an das GaAs-Substrat 21 gebondet ist, das Bezugszeichen 23 einen Transistor bezeichnet, welcher auf dem GaAs-Substrat 21 gebildet ist, das Bezugszeichen 24 einen Varactordiodenchip bezeichnet, welcher die elektrische Kapazität mit der angelegten Spannung ändert, das Bezugszeichen 25 passive Chipkomponenten bezeichnet, wie etwa Kapazitäten, Induktivitäten und Widerstände, das Bezugszeichen 26 eine obere Elektrode des Quarzoszillators 22 bezeichnet, und das Bezugszeichen 27 eine untere Elektrode bezeichnet, die an der Rückseite des Quarzoszillators 22 angebracht ist. Ein Durchgangsloch 21a ist in dem GaAs-Substrat 21 gerade unterhalb des Quarzoszillators vorgesehen, um die untere Elektrode 27 mit dar Rückseite des Quarzoszillators 22 zu verbinden. Die untere Elektrode 27 ist elektrisch mit den Metalleitungen auf dem GaAs-Substrat 21 durch ein Durchgangsloch 29 (oder ein Durchgangsloch, welches in dem Substrat 21 gebildet ist, welches mit einem Leiter auf der Innenseite des Durchgangsloches abgedeckt ist, um beide Seiten des Substrates 21 elektrisch miteinander zu verbinden) o. dgl. verbunden. Darüber hinaus sind die Komponenten des GaAs-Substrates 21 und der beiden Elektroden des Quarzoszillators 22 verbunden, um einen spannungsgesteuerten Oszillator gemäß Fig. 13 zu bilden. Das Bezugszeichen 28 bezeichnet eine Siliziumoxidschicht oder eine auf dem GaAs-Substrat 21 und/oder dem Quarzoszillator 22 (bis auf eine Fläche in Übereinstimmung mit dem Durchgangsloch 21a) gebildete Siliziumschicht, um das GaAs-Substrat 21 und den Quarzoszillator 22 direkt miteinander zu verbinden. Darüber hinaus ist der spannungsgesteuerte Oszillator von einem geschlossenen Container (nicht dargestellt) umschlossen. Der Feldeffekttransistor, die verschiedenen elektronischen Komponenten und der Quarzoszillator 22 bilden einen in Fig. 2 dargestellten Oszillator.
Durch Übernehmen dieser Struktur nimmt das Volumen auf etwa ein Zehntel der entsprechenden Struktur des Standes der Technik, in der ein Quarzoszillator verwendet wird, der sich in einem Container befindet, während Gewicht ebenfalls auf etwa ein Fünftel der entsprechenden Struktur des Standes der Technik abnimmt.
In dieser Ausführungsform sind das GaAs-Substrat 21 und der Quarz (ein Einkristall aus Siliziumoxid) 22 direkt unter Verwendung des Siliziumoxides an der Oberfläche des Quarzes selbst und des Siliziumoxides oder der Siliziumschichten, die auf dem GaAs-Substrat und/oder auf dem Quarz gebildet sind, verbunden, ohne ein normales aus Harz o. dgl. gebildetes Verbindungsmittel zu verwenden. Das bedeutet, daß die Verbindung aufgrund von anorganischen Substanzen stattfindet. Daher können Vorteile ähnlich wie bei der Ausführungsform 3 erreicht werden.
Andere spannungsgesteuerte Oszillatorschaltungen, die von der in Fig. 2 dargestellten abweichen, können ebenfalls verwendet werden. Die Anzahl der Varactordio den und andere passive elektronischer Komponenten variiert mit jeder Schaltung, und die Anordnung derselben auf dem Halbleitersubstrat wird für jeden Fall passend entworfen.

Ausführungsform 10

Fig. 14 und 15 zeigen ein sechstes Beispiel der Struktur eines spannungsgesteuerten Oszillators der vorliegenden Erfindung, wobei die Bezugszeichen 21-23 und 26- 29 das gleiche wie in Beispiel 9 bezeichnen. Das Bezugszeichen 24' bezeichnet einen Varactordiodenchip, welcher die elektrostatische Kapazität mit der angelegten Spannung ändert, und das Bezugszeichen 25' bezeichnet passive Chipkomponenten, wie etwa Kapazitäten, Induktivitäten und Widerstände. Die untere Elektrode 24 ist über die Metalleitungen auf dem GaAs-Substrat 21 durch ein Durchgangsloch 29 verbunden. Darüber hinaus sind die Komponenten des GaAs- Substrates 21 und die beiden Elektroden des Quarzoszillators 22 verbunden, um einen spannungsgesteuerten Oszillator zu bilden. Der wie oben erklärt aufgebaute Spannungsozillator ist von einem geschlossenen Container (nicht dargestellt) umschlossen.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform 9 darin, daß der Varactordiodenchip 24' und die passiven Chipkomponeten 25' direkt in das GaAs-Substrat 21 wie in der Ausführungsform 6 integriert sind. Durch Übernehmen dieser Struktur kann der spannungsgesteuerte Oszillator kompakter als der der Ausführungsform 9 ausgeführt werden. Das Anbringen der Chipkomponenten 24', 25' ist nicht notwendig, ähnlich wie bei der Ausführungsform 6, und es macht eine Massenproduktion einfach.

Ausführungsform 11

Ein fünftes Beispiel eines Herstellungsverfahrens für einen spannungsgesteuerten Oszillator der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Fig. 16 erklärt.
Als erstes werden eine oder mehrere eingedrückte Flächen in vorgegebenen Positionen auf einem GaAs-Substrat 21, als ein Beispiel eines III-V-Verbindungshalbleiters, durch Ätzen o. dgl. gebildet, und es wird eine Serie von Halbleiterprozessen, einschließlich eines Diffusionsprozesse, notwendig für einen Feldeffekttransistor 23, Varactordioden 24 u. dgl., bei der Wärmebehandlungstemperatur für das direkte Bonden oder darüber ausgeführt (Schritt S41). Der Diffusionsprozeß wird normaler weise bei einer Temperatur von etwa 870ºC oder darüber ausgeführt.
Als nächstes wird eine Schutzschicht auf dem GaAs-Abschnitt gebildet, welcher den oben erwähnten Prozessen ausgesetzt war, wenn es notwendig ist (Schritt S42). Die Schutzschicht ist aus Metall oder aus einer Oxidschicht, welche den oben erwähnten Prozessen widerstehen kann, und welche leicht abschließend entfernt werden kann. Dann wird die Oberfläche eines Abschnittes für das direkte Bonden sehr gründlich gereinigt (Schritt S43). Tatsächlich wird die Oberflächenschicht des GaAs mit einem Fluorsäureätzmittel geätzt und entfernt.
Dann wird eine erste dünne Siliziumoxidschicht 28 auf einer Fläche auf dem GaAs- Substrat 21 durch einen chemischen Dampfwachstumsprozeß o. dgl. (Schritt S44) gebildet. Die Schichtdicke des Siliziumoxides und die Gleichförmigkeit der Schichten kann leicht für Schichten mit Dicken von etwa 0.1-3 um kontrolliert werden.
Die Oberfläche der Siliziumoxidschicht 28 wird mit einer gepufferten Fluorsäure gereinigt, und die Oberfläche wird einer hydrophilen Behandlung ausgesetzt, um sie hydrophil zu machen (Schritt S45).
Andererseits wird die Oberfläche des Quarzoszillators 22 gereinigt (Schritt S51). Dann wird auf dem Quarzoszillator 2 auch eine zweite dünne Siliziumoxidschicht 28 durch einen chemischen Dampfwachstumsprozeß o. dgl. gebildet (Schritt S52). Die Dicke und die Gleichförmigkeit der zweiten Siliziumoxidschicht 28 kann ähnlich wie bei der ersten Siliziumoxidschicht kontrolliert werden.
Die Oberfläche der Siliziumoxidschicht 28 wird mit der gepufferten Fluorsäure gereinigt, und die Oberfläche wird einer Verarbeitung ausgesetzt, um sie hydrophil zu machen (Schritt S53).
Dann werden die Oberflächen der ersten und zweiten Siliziumoxidschichten 28 ausreichend mit reinem Wasser gereinigt (Schritt S46 und S54). Als nächstes werden die Oberflächen der beiden Siliziumoxidschichten 28 sofort gleichförmig in Kontakt zueinander gebracht (Schritt S61). Somit findet in diesem Zwischenschritt das Bonden zwischen dem Siliziumsubstrat 21 und dem Quarzoszillator 22 aufgrund der konstituierenden Komponenten von Wasser, wie etwa Hydroxygruppen, die an den Oberflächen der Siliziumoxidschichten adsorbiert sind, statt. Die so gebildete Verbindung ist ausreichend hart.
Die Verbindung wird durch die Wärmebehandlung bei 100-860ºC, vorzugsweise bei 300-600ºC (Schritt S62) härter. Wenn die Wärmebehandlungstemperatur hoch ist, ist der Bereich der Formen, die Größe o. dgl. des Quarzoszillators 22 in gewisser Weise begrenzt, aufgrund des Unterschiedes der thermischen Expansionskoeffizienten zwischen dem Siliziumsubstrat 21 und dem Quarzoszillator 22. Die Verbindungsstärke kann jedoch wesentlich verbessert werden, ohne ein Abschälen der Materialen und ohne Schäden zu verursachen, wenn die Dicke und die Fläche des Quarzoszillators 22 mit ansteigender Wärmebehandlungstemperatur abnimmt.
Bezüglich des Effektes der Wärmebehandlung auf die Verbindungsstärke ist zu sagen, daß beispielsweise die Wärmebehandlung von einer Stunde bei 200ºC die Verbindungsstärke um einige Male erhöhen kann, auf bis zu einigen 10 kg/cm². Wenn die Temperatur oberhalb von 870ºC angehoben wird, verändert sich die Kristallstruktur des Quarzes. Daher muß die Verbindungstemperatur bei 860ºC oder darunter liegen.
Der Mechanismus des direkten Bondens wird als dem der Ausführungsform 7 ähnlich angesehen.
Dann wird - wenn notwendig - das Quarzsubstrat, wie in der Ausführungsform 12 erklärt, dünner gemacht (Schritt S63).
Als nächstes wird ein Loch 21a gerade unterhalb des Quarzoszillators 22 gebildet, und die Siliziumoxidschicht: 28, die durch das Loch 21a exponiert ist, wird nach dem Abdecken des verbleibenden Teiles mit einem Lack o. dgl. weggeätzt. Dann wird der Lack und die Schutzschicht, wenn in dem Schritt S42 eine Schutzschicht gebildet wurde, entfernt (Schritt S64). Dann werden verschiedene Prozesse, wie etwa eine Elektrodenbildung, ausgeführt, die bei Temperaturen unterhalb der Wärmebehandlungstemperatur für das Bonden und unterhalb von 860ºC ausgeführt werden. Dann werden Elektroden 23, 24 auf den bei den Oberflächen des Quarzoszillators 22 durch Vakuumabscheidung o. dgl. gebildet, und dann werden die Metallstrukturierungen mit einer herkömmlichen Fotolithographie gebildet (Schritt S65). Die Elektroden bestehen aus Aluminium, Gold/Chrom o. dgl.

Ausführungsform 12

Ein sechstes Beispiel eines Herstellungsverfahrens eines spannungsgesteuerten Oszillators wird mit Bezug auf die Fig. 16 erklärt.
Ähnlich wie bei der Ausführungsform 11 wird, nachdem mindestens ein aktives Element in einer vorgegebenen Ausnehmung gebildet ist, das Bonden mit einer Quarzplatte 21 ausgeführt (Schritt S61 und S62). Als nächstes wird der Quarzoszillator 22 prozessiert, um die Dicke durch Polieren oder Ätzen zu verringern (Schritt S63). Daher kann beispielsweise ein Quarzsubstrat einer Anfangsdicke von 200 um leicht derart geformt werden, daß es die Dicke von 5 um oder darunter aufweist. Wenn ein präziser Ätzprozeß verwendet wird, kann die Quarzplatte weiter auf eine Dicke von 1 um dünner gemacht werden. Wenn ein Quarz-AT- Schnitt verwendet wird, dann macht es die Dicke von 1 um möglich, bei einer fundamentalen Welle von etwa 1.6 GHz zu oszillieren. Dann kann durch Ausführen von Prozessen (Schritt S64, S65), die denen der Ausführungsform 11 ähnlich sind, ein spannungsgesteuerte Oszillator hergestellt werden, welcher das GaAs-Substrat 21 und den Quarzoszillator 22 integriert.
Ein solcher spannungsgesteuerter Oszillator kann bei einer Frequenz von bis zu 1.6 GHz oszillieren, was zuvor nicht realisiert werden konnte. Insbesondere ist, wenn ein GaAs-Substrat 22 verwendet wird, ein Transistor, welcher bei Frequenzen arbeitet, die um einige Male höher liegen, als bei einem Siliziumtransistor, der dünne Quarzoszillator sehr vorteilhaft in einem Frequenzbereich von 1 GHz oder darüber.
Weiterhin verschlechtern die langen metallischen Leitungen die Hochfrequenzeigenschaft, wenn die Frequenz 1 GHz übersteigt. Die Integration gemäß dieser Ausführungsform verbessert jedoch die Leistungsfähigkeit.

Ausführungsform 13

Ein siebtes Beispiel eines Herstellungsverfahrens eines spannungsgesteuerten Oszillators wird mit Bezug auf die Fig. 16 erklärt. In diesem Beispiel wird eine amorphe dünne Siliziumschicht für das direkte Bonden verwendet.
Ähnlich wie bei der Ausführungsform 11 wird mindestens 1 aktives Element in einer vorgegebenen Ausnehmung gebildet, und es wird eine amorphe Siliziumschicht mit Plasma-CVD o. dgl. mindestens auf dem GaAs-Substrat als Verbindungsebene gebildet (Schritt S44). Die Schichtdicke des amorphen Siliziums liegt bei etwa 0.1-3 um, ähnlich wie bei der Ausführungsform 11. Dann werden die Oberflächen der amorphen Siliziumschicht 28 und des Quarzoszillators 22 sehr gründlich gereinigt (Schritte S45 und S53). Der Reinigungsprozeß ist im wesentli chen dem der Ausführungsform 11 ähnlich. Die Siliziumoberfläche wird mit einem Ätzmittel aus gepufferter Fluorsäure gereinigt. Dann werden die beiden Oberflächen ausreichend mit reinem Wasser gereinigt, und sie werden sofort gleichförmig geschichtet (Schritte S46, S54 und S61). Dann wird das Bonden durch Wärmebehandlung verstärkt. Somit kann das direkte Bonden leicht realisiert werden. Als nächstes kann die Quarzplatte - wenn notwendig - weiter dünner gemacht werden, durch Polieren oder Ätzen, ähnlich wie bei der Ausführungsform 12. Dann kann durch Ausführen von Prozessen, ähnlich wie jene bei der Ausführungsform 11 (Schritte S62-65) ein spannungsgesteuerter Oszillator hergestellt werden, welcher das GaAs-Substrat und den Quarzoszillator integriert, und es können Vorteile erhalten werden, ähnlich wie bei den Ausführungsformen 11 und 12. Das Bonden ist bei Raumtemperatur möglich, und es kann nach dem Abschluß aller Prozesse ausgeführt werden.
Der Mechanismus des direkten Bondens ist dem der Ausführungsform 7 ähnlich. Daher ist das direkte Bonden sogar möglich, wenn eine Siliziumoxidschicht nur auf einem der Substrate 21, 22 gebildet wird, d. h. nur auf der Oberfläche der Quarzplatte 22 oder auf dem Siliziumsubstrat 21. Ein Lithiumniobat oder ein Lithiumtantalat kann auch anstelle des Quarzoszillators verwendet werden.
Als eine Siliziumverbindung für das direkte Bonden wird in den oben erwähnten Ausführungsformen ein Siliziumoxid verwendet. Durch einen chemischen Dampfabscheidungsprozeß präparierte Siliziumoxidschichten variieren in gewissem Maße mit den Bedingungen der Abscheidung. Stickstoffatome können auch in einer Siliziumoxidschicht eingeschlossen werden. Das direkte Bonden ist jedoch in diesen Fällen möglich. Die Möglichkeit des direkten Bondens steht in Beziehung zu den Eigenschaften des Bondens des relevanten Materials, und es wird angenommen, daß ein Material mit kovalenten Bindungseigenschaften, wie etwa Silizium oder Siliziumoxid, die gleiche Effekte zeigt.
Obwohl die oben erwähnten Ausführungsformen sich auf spannungsgesteuerte Oszillatoren beziehen, ist es klar, daß die vorliegende Erfindung nicht nur auf einen spannungsgesteuerten Oszillator, sondern auch auf andere elektroakustische Schaltungen, wie etwa einen Hochfrequenzverstärker (Fig. 3) und auf einen temperaturkompensierten Kristalloszillator (Fig. 4) durch direktes Bonden eines elektroakustischen Elementes (F, X) an ein Halbleitersubstrat für ein Transistorelement.
Die integrierten Hybridschaltungen und die Herstellungsverfahren der Ausführungsformen haben die unten erklärten Vorteile.
Da fundamentale Teile eines Transistors und eines elektroakustischen Elementes, wie etwa ein Oberflächenwellenresonator zum Erzeugen von Oszillationen, als ein Körper integriert sind, kann die Größe und das Gewicht eines elektroakustischen Schaltkreises in großem Maße reduziert werden.
Da ein Halbleitersubstrat und ein elektroakustisches Element direkt miteinander über eine Schicht eines anorganischen Materials aus Silizium o. dgl. mit einer kontrollierten Schichtdicke miteinander verbunden werden, sind die planaren Eigenschaften sehr gut, und es kann Submikron-Fotolithographie notwendig für das Einstellen der Oszillationsfrequenz, verwendet werden. Darüber hinaus kann die Zuverlässigkeit gegenüber Hitze und Vibration in großem Maße verbessert werden.
Wenn Polier- oder Ätzprozesse des Quarzes, wie in der Ausführungsform 12 dargestellt, ausgeführt werden, kann die Dicke leicht auf 5 um oder darunter vermindert werden. Daher kann leicht ein spannungsgesteuerter Oszillator mit einer Fundamentalwelle im Submikrowellenband (einige 100 MHz bis einige GHz) hergestellt werden. Dann weist der spannungsgesteuerte Oszillator eine höhere Leistungsfähigkeit bei niedrigeren Kosten auf.
Wenn die Integration auf einem GaAs-Substrat ausgeführt wird, kann die Hochfrequenzeigenschaft eines auf einem Substrat hergestellten Transistors mehrfach gegenüber einem Fall verbessert werden, der einen Siliziumtransistor verwendet. Weiterhin kann die Leistungsfähigkeit eines spannungsgesteuerten Oszillators in höhere Frequenzen ausgedehnt werden.
Das Bonden bei Raumtemperatur ist prinzipiell möglich, und der Grad der Freiheit bei dem Herstellungsprozeß ist sehr groß. Dies ist für die Massenherstellung vorteilhaft.
Obwohl die vorliegende Erfindung vollständig in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen derselben mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben wurde, sei festgestellt, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen dem Fachmann klar sind. Derartige Änderungen und Modifikationen sind so zu verstehen, daß sie in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie er durch die anhängenden Ansprüche definiert ist, liegen, wenn sie nicht davon abweichen.

Claims

1. Integrierter, einheitlicher Körper zur Verwendung in einer elektronischen Vorrichtung, insbesondere in einer elektroakustischen, integrierten Hybridschaltung, mit:

einem Halbleitersubstrat (1; 11; 21);

einem einkristallinen, piezoelektrischen Substrat (2; 12; 22); und

einer siliziumhaltigen Schicht (8; 18; 28) zwischen dem Halbleitersubstrat (1; 11; 21) und dem einkristallinen, piezoelektrischen Substrat (2; 12; 22);

dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1; 11; 21) und das piezoelektrische Substrat (2; 12; 22) über diese Schicht (8; 18; 28) ohne jegliche organische Klebemittel direkt verbunden sind, wobei die Verbindung zwischen der Schicht (8; 18; 28) und dem Halbleitersubstrat (1; 11; 21) zwischen Komponentenatomen der Schicht und Sauerstoff- und/oder Komponentenatomen des Halbleitersubstrates (1; 11; 21) stattfindet, und wobei die Verbindung zwischen der Schicht (8; 18; 28) und dem piezoelektrischen Substrat (2; 12; 22) zwischen Komponentenatomen der Schicht (8; 18; 28) und Sauerstoffatomen des piezoelektrischen Substrates (2; 12; 22) stattfindet.

2. Integrierter, einheitlicher Körper nach Anspruch 1, wobei das Halbleitersubstrat (1; 11; 21) aus Silizium hergestellt ist.

3. Integrierter, einheitlicher Körper nach Anspruch 1, wobei das Halbleitersubstrat (1; 11; 21) aus einem III-V-Verbindungshalbleiter hergestellt ist.

4. Integrierter, einheitlicher Körper nach Anspruch 3, wobei der III-V-Verbindungshalbleiter GaAs ist.

5. Integrierter, einheitlicher Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das piezoelektrische Substrat (2; 12; 22) aus Lithiumniobat hergestellt ist.

6. Integrierter, einheitlicher Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das piezoelektrische Substrat (2; 12; 22) aus Lithiumtantalat hergestellt ist.

7. Integrierter, einheitlicher Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das piezoelektrische Substrat (2; 12; 22) aus Quarz hergestellt ist.

8. Integrierter, einheitlicher Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Schicht (8; 18; 28) aus kristallinem Silizium hergestellt ist.

9. Integrierter, einheitlicher Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Schicht (8; 18; 28) aus amorphem Silizium hergestellt ist.

10. Integrierter, einheitlicher Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Schicht (8; 18; 28) aus Siliziumoxid hergestellt.

11. Elektroakustische, integrierte Hybridschaltung, mit:

einem Halbleitersubstrat (1; 11; 21);

einem einkristallinen, piezoelektrischen Substrat (2; 12; 221; und

dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1; 11; 21) und das piezoelektrische Substrat (2; 12; 22) über diese Schicht (8; 18; 28) ohne jegliche organische Klebemittel direkt verbunden sind, wobei die Verbindung zwischen der Schicht (8; 18; 28) und dem Halbleitersubstrat (1; 11; 21) zwischen Komponentenatomen der Schicht und Sauerstoffund/oder Komponentenatomen des Halbleitersubstrates (1; 11; 21) stattfindet, und wobei die Verbindung zwischen der Schicht (8; 18; 28) und dem piezoelektrischen Substrat (2; 12; 22) zwischen Komponentenatomen der Schicht (8; 18; 28) und Sauerstoffatomen des piezoelektrischen Substrates (2; 12; 22) stattfindet.

12. Elektroakustische, integrierte Hybridschaltung nach Anspruch 11, wobei ein aktives Element (3; 13; 23) auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates (1; 11; 21) ausgebildet ist.

13. Elektroakustische, integrierte Hybridschaltung nach Anspruch 12, wobei ein elektroakustisches Element mit einem piezoelektrischen Substrat (2; 12; 22) mit dem aktiven Element (3; 13; 23) verbunden ist, um eine elektroakustische Schaltung zu bilden.

14. Elektroakustische, integrierte Hybridschaltung nach Anspruch 13, wobei das elektroakustische Element ein Oberflächenwellenelement ist.

15. Elektroakustische, integrierte Hybridschaltung nach Anspruch 13, wobei das elektroakustische Element ein Quarzoszillator ist.

16. Elektroakustische, integrierte Hybridschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei das aktive Element (3) einen Transistor einschließt.

17. Elektroakustische, integrierte Hybridschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei das Halbleitersubstrat (1; 11; 21) aus Silizium hergestellt ist.

18. Elektroakustische, integrierte Hybridschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei das Halbleitersubstrat (1; 11; 21) aus einem III-V-Verbindungshalbleiter hergestellt ist.

19. Elektroakustische, integrierte Hybridschaltung nach Anspruch 18, wobei der III-V-Verbindungshalbleiter GaAs ist.

20. Elektroakustische, integrierte Hybridschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei das piezoelektrische Substrat (2; 12; 22) aus Lithiumniobat hergestellt ist.

21. Elektroakustische, integrierte Hybridschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei das piezoelektrische Substrat (2; 12; 22) aus Lithiumtantalat hergestellt ist.

22. Elektroakustische, integrierte Hybridschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei das piezoelektrische Substrat (12; 12; 22) aus Quarz hergestellt ist.

23. Elektroakustische, integrierte Hybridschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 22, wobei die Schicht (8; 18; 28) aus kristallinem Silizium hergestellt ist.

24. Elektroakustische, integrierte Hybridschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 22, wobei die Schicht (8; 18; 28) aus amorphem Silizium hergestellt ist.

25. Elektroakustische, integrierte Hybridschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 22, wobei die Schicht (8; 18; 28) aus Siliziumoxid hergestellt ist.

26. Elektroakustische, integrierte Hybridschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 25, wobei die elektroakustische Schaltung ein spannungsgesteuerter Oszillator ist.

27. Elektroakustische, integrierte Hybridschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 25, wobei die elektroakustische Schaltung ein temperaturkompensierter Kristalloszillator ist.

28. Elektroakustische, integrierte Hybridschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 25, wobei die elektroakustische Schaltung ein Hochfrequenzverstärker ist.

29. Elektroakustische, integrierte Hybridschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 28, wobei ein peripherer Abschnitt des piezoelektrischen Substrates (2; 12; 22) und des Halbleitersubstrates (1; 11; 21) direkt über die Schicht (8; 18; 28) verbunden sind.

30. Verfahren zur Herstellung eines einheitlichen Körpers zur Verwendung in einer elektronischen Vorrichtung, insbesondere zur Verwendung in einer elektroakustischen, integrierten Hybridschaltung, wobei das Verfahren die Schritte einschließt:

ein Halbleitersubstrat (1; 11; 21) wird zur Verfügung gestellt;

ein einkristallines piezoelektrisches Substrat (2; 12; 22) wird zur Verfügung gestellt;

eine Schicht (8; 18; 28) mit Silizium wird auf mindestens dem Halbleitersubstrat (1; 11; 21) und/oder mindestens dem piezoelektrischen Substrat (2; 12; 22) gebildet; und

das Halbleitersubstrat (1; 11; 21) wird über die Schicht (8; 18; 28) mit dem piezoelektrischen Substrat (2; 12; 22) verbunden;

dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Verbindens des Halbleitersubstrates (1; 11; 21) mit dem piezoelektrischen Substrat (2; 12; 22) die Schritte enthält: die Oberfläche (55; 545) des Halbleitersubstrates (1; 11; 21) oder der auf dem Halbleitersubstrat (1; 11; 21) gebildeten Schicht (8; 18; 28) wird gereinigt, und sie wird hydrophil gemacht;

die Oberfläche (S13, S53) des piezoelektrischen Substrates (2; 12; 22) oder der auf dem piezoelektrischen Substrat (2; 12; 22) gebildeten Schicht (8; 18; 28) wird gereinigt, und sie wird hydrophil gemacht;

sie (S21; S61) wird auf die Oberfläche des Halbleitersubstrates (1; 11; 21) oder auf die auf dem Halbleitersubstrat (1; 11; 21) gebildete Schicht (8; 18; 28) gelegt; und

eine Hitzebehandlung (S22; S62) des mit dem piezoelektrischen Substrat (2; 12; 22) verbundenen Halbleitersubstrates (1; 11; 21) wird ausgeführt.

31. Herstellungsverfahren nach Anspruch 30,

wobei der Schritt des Verbindens weiterhin die Schritte enthält:

die gereinigte Oberfläche des Halbleitersubstrates (1; 11; 21) oder der auf dem Halbleitersubstrat (1; 11; 21) gebildeten Schicht (8; 18; 28) wird mit reinem Wasser gespült; und

die gereinigte Oberfläche des piezoelektrischen Substrates (2; 12; 22) oder der auf dem piezoelektrischen Substrat (2; 12; 22) gebildeten Schicht (8; 18; 28) wird mit reinem Wasser gespült (S14; S54);

wobei die Spülschritte (S6, S14; S46, S54) vor dem Anbringen der gereinigten Oberflächen ausgeführt werden.

32. Herstellungsverfahren nach Anspruch 31, wobei die Hitzebehandlung in einem Temperaturbereich zwischen 100 und 800ºC ausgeführt wird.

33. Herstellungsverfahren nach Anspruch 31, wobei die Hitzebehandlung in einem Temperaturbereich zwischen 300 und 600ºC ausgeführt wird.

34. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 33, wobei das Halbleitersubstrat (1; 11; 21) aus Silizium hergestellt ist.

35. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 33, wobei das Halbleitersubstrat (1; 11; 21) aus einem III-V-Verbindungshalbleiter hergestellt ist.

36. Herstellungsverfahren nach Anspruch 35, wobei der III-V-Verbindungshalbleiter GaAs ist.

37. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 36, wobei das piezoelektrische Substrat (2; 12; 22) aus Lithiumniobat hergestellt ist.

38. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 36, wobei das piezoelektrische Substrat (2; 12; 22) aus Lithiumtantalat hergestellt ist.

39. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 36, wobei das piezoelektrische Substrat (2; 12; 22) aus Quarz hergestellt ist.

40. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 39, wobei die Schicht (8; 18; 28) aus kristallinem Silizium hergestellt ist.

41. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 39, wobei die Schicht (8; 18; 28) aus amorphem Silizium hergestellt ist.

42. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 39, wobei die Schicht (8; 18; 28) aus Siliziumoxid hergestellt ist.

43. Herstellungsverfahren zum Herstellen einer elektroakustischen, integrierten Hybridschaltung, wobei das Verfahren die Schritte einschließt:

ein einheitlicher Körper wird durch ein Herstellungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 30 bis 42 zur Verfügung gestellt;

es werden Prozesse zum Bilden eines aktiven Elementes auf dem Halbleitersubstrat (1; 11; 21) ausgeführt;

es werden Prozesse zum Bilden eines elektroakustischen Elementes auf dem piezoelektrischen Substrat (2; 12; 22) ausgeführt; und

es werden Prozesse zum Bilden eines Metallmusters ausgeführt, um das aktive Element und das elektroakustische Element zu verbinden;

wobei ein aktives Element und ein elektroakustisches Element als ein Körper integriert werden.

44. Herstellungsverfahren nach Anspruch 43, wobei die zum Bilden des aktiven Elementes notwendigen Prozesse ausgeführt werden, bevor das Halbleitersubstrat (1; 11; 21) und das piezoelektrische Substrat (2; 12; 22) direkt bei einer Temperatur verbunden werden, die gleich oder höher ist als die Wärmebehandlungstemperatur für das direkte Verbinden;

wobei die Prozesse nach dem direkten Verbinden bei einer Temperatur unterhalb der Wärmebehandlungstemperatur für das direkte Verbinden ausgeführt werden.

45. Herstellungsverfahren nach den Ansprüchen 43 oder 44, wobei das aktive Element einen Transistor einschließt.

46. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 45, wobei zum Bilden der elektroakustischen Schaltung zu verwendende, passive, elektronische Komponenten zur gleichen Zeit bei den Schritten des Ausführens der für die Bildung des aktiven Elementes notwendigen Prozesse hergestellt werden.

47. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 46, wobei die elektroakustische Schaltung ein spannungsgesteuerter Oszillator ist.

48. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 46, wobei die elektroakustische Schaltung ein temperaturkompensierter Kristalloszillator ist.

49. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 46, wobei die elektroakustische Schaltung ein Hochfrequenzverstärker ist.

50. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 49, wobei die Quarzplatte durch Ätzen oder Polieren verdünnt wird, nachdem die Quarzplatte direkt mit dem Halbleitersubstrat (1; 11; 21) verbunden wird.

51. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 50, wobei das piezoelektrische Element (2; 12; 22) ein Oberflächenwellen (SAW)- Element ist.

52. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 50, wobei das piezoelektrische Element (2; 12; 22) ein Quarzoszillator ist.

53. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 52, wobei das piezoelektrische Element (2; 12; 22) durch Ätzen oder Polieren verdünnt wird, nachdem das piezoelektrische Substrat direkt mit dem Halbleitersubstrat (1; 11; 21) verbunden wird.

54. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 53, weiterhin den Schritt des Bildens eines Durchgangsloches in dem Halbleitersubstrat (1; 11; 21) enthaltend, um die rückseitige Oberfläche des piezoelektrischen Substrates (2; 12; 22) zu erreichen und zu exponieren.